Главная Физика Этан Зигель: почему нужно изучать квантовые поля, а не частицы

Квантовая вселенная вместо «классического» пространства

Из всех революционных идей, которыми увлекается наука, самой причудливой и контринтуитивной является концепция квантовой механики.

Ранее ученые предполагали, что Вселенная детерминирована, а законы физики позволяют с идеальной точностью предсказать, как во времени развивается любая система.

Мы предполагали, что наш редукционистский подход - когда ищем мельчайшие составляющие реальности и пытаемся понять их свойства - приведет к окончательному познанию вещей.

Если бы мы знали, из чего состоят вещи, и могли определить правила, которые ими управляют, ничто бы не скрылось от нашей особности предсказывать.

Но когда речь зашла о квантовой Вселенной, данное предположение оказалось неверным.

Когда вы сведете реальность к ее мельчайшим компонентам, вы обнаружите, что все формы материи и энергии можно разделить на неделимые части - кванты. Однако эти кванты больше не ведут себя детерминированно, только вероятностно.

И даже с этим дополнением остается еще одна проблема: влияние, которое эти кванты оказывают друг на друга. Наши классические представления о полях и силах не в состоянии отразить реальные эффекты квантово-механической Вселенной, что свидетельствует о необходимости их дальнейшего квантования.

Квантовая механика недостаточна для объяснения сущего; для этого необходима квантовая теория поля. И вот почему.

Можно представить себе Вселенную, где вообще ничего не квантовано, где нет необходимости в чем-то, выходящем за рамки физики второй половины 19 века.

Вы сколько без ограничений можете делить материю на маленькие кусочки. Вы никогда не столкнетесь с фундаментальным, неделимым строительным блоком. И если в вашем распоряжении будет достаточно острый или сильный "делитель", вы всегда сможете двигаться дальше.

Звезда T Тельца и переменная туманность Хайнда (NGC 1555)

Однако в начале XX века было показано, что эта идея несовместима с реальностью.

  • Излучение от нагретых объектов не испускается на всех частотах, а скорее, квантуется на отдельные "пакеты", каждый из которых содержит определенное количество энергии.
  • Электроны могут быть ионизированы только светом, длина волны которого короче (или частота выше) определенного порога.
  • А частицы, испускаемые при радиоактивном распаде, при выстреле в тонкий кусок золотой фольги иногда рикошетят в обратном направлении, как будто там были твердые "куски" материи, через которые они не могут пройти.

В итоге ученые предположили, что материя и энергия не являются непрерывными. Скорее, они делятся на дискретные сущности - кванты.

Первоначальная идея квантовой физики родилась из понимания того, что Вселенная не является полностью классической; методологически она сводима к неделимым частицам, которые, как оказалось, играют по своим собственным, иногда причудливым, правилам.

 

Чем больше мы экспериментировали, тем больше необычного поведения мы обнаруживали, в том числе:

  • атомы способны поглощать или излучать свет только на определенных частотах, поэтому энергетические уровни квантированы;
  • квант, пропущенный через двойную щель, будет демонстрировать волнообразное, а не частицеподобное поведение;
  • между определенными физическими величинами существует внутренняя связь неопределенности, и более точное измерение одной из них увеличивает неопределенность, присущую другой;
  • результаты измерений не являются детерминистически предсказуемыми, могут быть предсказаны только вероятностные распределения опытов.

Такого рода открытия обозначили не только философские, но и физические проблемы.

Например, между положением и импульсом любого кванта материи или энергии существует внутренняя связь неопределенности. Чем лучше вы измеряете одно из них, тем более неопределенным по своей природе становится другое.

Другими словами, положение и импульс нельзя считать исключительно физическим свойством материи, их следует рассматривать как квантовомеханические операторы, дающие лишь вероятностное распределение исходов.

 

Почему это является проблемой?

Потому что эти две величины, измеряемые в любой момент времени по нашему выбору, зависимы от времени. Позиции, которые вы измеряете, или моменты, которыми, по вашим предположениям, обладает частица, меняются и эволюционируют со временем.

Это было бы прекрасно само по себе, но есть еще одна концепция, которая пришла к нам из специальной теории относительности: понятие времени различно для разных наблюдателей. Поэтому законы физики, которые мы применяем к системам, должны оставаться релятивистски инвариантными. В конце концов, они не должны меняться только потому, что вы движетесь с другой скоростью, в другом направлении или находитесь не там, где были раньше.

В первоначальной формулировке квантовая физика не была релятивистски инвариантной теорией; ее предсказания варьировались для разных наблюдателей. Потребовались годы разработок, прежде чем была сформирована первая релятивистски инвариантная версия квантовой механики, что произошло только в конце 1920-х годов.

Если мы считали предсказания первоначальной квантовой физики странными, с их индетерминизмом и фундаментальными неопределенностями, то в релятивистски инвариантной версии появился целый ряд новых предсказаний. Они включают:

  • присущее квантам количество углового момента, известное как спин;
  • магнитные моменты для этих квантов;
  • свойства тонкой структуры;
  • новые предсказания о поведении заряженных частиц в присутствии электрических и магнитных полей;
  • и даже существование отрицательных энергетических состояний, которые в то время были загадкой.

Позже отрицательные энергетические состояния были идентифицированы с "равным и противоположным" набором квантов, существование которых было доказано: антиматериальные аналоги известных частиц.

Большой скачок вперед - получить релятивистское уравнение, которое описывает самые ранние фундаментальные частицы, такие как электрон, позитрон, мюон и другие.

Однако новое понимание не объясняло ВСЁ. Радиоактивный распад все еще оставался загадкой. Фотон имел неправильные свойства частицы, а теория могла объяснить взаимодействие электрона с электроном, но не взаимодействие фотона с фотоном.

Свет и квантовая вселенная становятся основными объектами современных космологических исследований

Очевидно, что какой-то важный компонент истории все еще отсутствовал.

Вот вам иллюстрация: представьте себе электрон, проходящий через двойную щель. Если вы не измеряете, через какую щель проходит частица, тогда он ведет себя как волна: часть его проходит через обе щели, и эти два компонента интерферируют, создавая волновую картину.

Электрон каким-то образом интерферирует с самим собой на своем пути, и мы видим результаты этой интерференции, когда обнаруживаем электроны в конце эксперимента.

Даже если мы посылаем эти электроны по одному через двойную щель, свойство интерференции сохраняется; оно присуще квантово-механической природе всей физической системы.

Теперь задайте себе вопрос: что происходит с его электрическим полем, когда он проходит через щели?

Ранее квантовая математика заменила наши представления о таких величинах, как положение и импульс частиц - которые были просто величинами со значениями - тем, что мы называем квантовомеханическими операторами. Данные математические функции "оперируют" квантовыми волновыми функциями и создают вероятностный набор результатов наблюдения.

Когда вы проводите наблюдение, на самом деле это означает лишь то, что вы заставляете определенный квант взаимодействовать с другим квантом. Эффекты которого вы затем обнаруживаете, интерпретируются как значения квантов. Однако самими квантами (или операторами квантов) они не являются.

Но что делать, если у вас есть квант, который генерирует поле, но ведет себя как децентрализованная, нелокализованная волна? Это совсем другой сценарий, чем тот, который проявляется в классической физике или в квантовой физике. Вы не можете просто рассматривать электрическое поле, создаваемое этим волнообразным, разнесенным электроном, как исходящее из одной точки и подчиняющееся классическим законам уравнений Максвелла.

Если бы вы поместили другую заряженную частицу, например, второй электрон, он должен был бы реагировать на странное квантовое поведение, которое вызывает эта квантовая волна.

В старой, классической теории, поля давят на частицы, находящиеся в определенных положениях, и изменяют импульс каждой частицы.

Но если положение и импульс частицы по своей природе неопределенны, и если частица, генерирующая поля, сама неопределенна в положении и импульсе, тогда и поля не могут рассматриваться аналогичным образом: как будто они являются неким статичным "фоном", на который накладываются квантовые эффекты других частиц.

Если мы это сделаем, мы упустим себя, упустим "квантовость" лежащих в основе полей.

В этом заключался огромный прогресс квантовой теории поля, которая не просто продвигала определенные физические свойства в качестве квантовых операторов, но продвигала сами поля в качестве квантовых операторов.

Отсюда также происходит идея второго квантирования: ведь квантуются не только материя и энергия, но и поля.

Внезапно рассмотрение полей как квантовомеханических операторов позволило объяснить огромное количество явлений, которые уже наблюдались, в том числе:

  • создание и аннигиляция частиц и античастиц;
  • радиоактивные распады;
  • квантовое туннелирование, приводящее к созданию электрон-позитронных пар;
  • квантовые поправки к магнитному моменту электрона.

С помощью квантовой теории поля все эти явления приобрели смысл, и многие другие связанные с ними явления теперь могут быть предсказаны, включая расхождение между экспериментальными результатами для магнитного момента мюона, включая различные теоретические методы его вычисления: непертурбативным, который согласуется с экспериментом, и пертурбативным, который не согласуется.

Одна из ключевых вещей обычной квантовой механики - это возможность взаимодействия поля и поля, а не только пары частица-частица или частица-поле.

Большинство из нас могут осознать, что частицы взаимодействуют с другими частицами, потому что мы привыкли к тому, что два предмета сталкиваются друг с другом: мяч, разбивающийся о стену, - это взаимодействие частица-частица.

Большинство из нас также могут принять, что частицы и поля взаимодействуют, например, когда вы подносите магнит к металлическому предмету.

Хотя это противоречит вашей интуиции, квантовая Вселенная на самом деле не обращает никакого внимания на то, как мы воспринимаем Вселенную макроскопическую. Гораздо менее интуитивно думать о взаимодействии поля с полем, но с физической точки зрения оно не менее важно. Без чего невозможны:

  • фотон-фотонные столкновения, которые являются жизненно важной частью создания пар материя-антиматерия;
  • глюон-глюонные столкновения, ответственные за большинство высокоэнергетических событий на Большом адронном коллайдере;
  • наличие как безнейтринного двойного бета-распада, так и двойного нейтринного двойного бета-распада (последний уже наблюдался, а первый все еще находится в стадии поиска).

Вселенная, на фундаментальном уровне, состоит не только из квантованных пакетов материи и энергии, но и полей, которые пронизывают космос. Именно поэтому практически каждый физик ожидает, что на каком-то уровне гравитацию также квантируют.

Общая теория относительности, наша современная теория гравитации, функционирует так же, как и классическое поле старого типа: она искривляет фон пространства, а затем в этом искривленном пространстве происходят квантовые взаимодействия.

Однако без квантованного гравитационного поля мы можем упустить из виду квантовые гравитационные эффекты, которые должны существовать, даже если мы не уверены, что они есть.

Сама по себе квантовая механика фундаментально несовершенна. Это не потому, что она принесла с собой что-то странное или жуткое, а потому, что она не была достаточно странной, чтобы учесть ВСЕ физические явления, которые происходят в реальности.

Частицы действительно обладают присущими им квантовыми свойствами, но не забываем о полях: они релятивистски инвариантны.

Даже при отсутствии современной квантовой теории гравитации можно с уверенностью сказать, что все аспекты Вселенной, как частицы, так и поля, являются квантовыми по своей природе. Что это означает для реальности, мы и пытаемся разгадать.

Дата: 29 ноября 2022

Автор: Этан Зигель

Поделиться с друзьями: